JP3539483B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法、更に詳しくは、シャロウトレンチ素子分離(Shallow Trench Isoration、以下、「STI」と略す)法を用いた、素子分離方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造において、素子分離法としては、LOCOS(Local Oxdation of Silicon)法が広く用いられてきた。しかしながら、加工寸法の微細化に伴い、熱酸化を用いたLOCOS法では、バーズビークなどの問題が生じてきた。
【0003】
そこで、LOCOS法の問題点を解決するための手段として、STI法が提案された。STI法は、シリコン基板にトレンチと呼ばれる溝を形成し、絶縁膜を埋め込んだ後に、CMP法を用いて、トレンチに埋め込まれた絶縁膜以外の絶縁膜を除去することで、素子分離領域を形成する。LOCOS法と比較して、絶縁膜をプラズマCVD法などにより形成できるため、熱工程を低減することができるので、バーズビークなどの問題は大幅に改善できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、STI法特有の課題もある。LOCOS法では、熱酸化を利用するため、素子分離形成後の表面の凹凸は比較的なだらかな形状になるのに対して、STI法では、絶縁膜のCMP法による研磨の後の素子分離の端部は、ほぼ基板に対して垂直な形状となる。これにより、後工程のゲート電極形成において、図4に示すように、フォトリソグラフィでのパターンのくびれやゲート電極エッチング時のポリシリコン残り25などの問題が生じる。図4は従来技術の課題の説明に供する図であり、符号21はシリコン基板、22はシャロウトレンチ素子分離(STI)領域、23はゲート絶縁膜、24はゲート電極を示す。
【0005】
この問題に対して、例えば、特開平10−144781号公報のように、STI領域形成時にSiN膜をCMPストッパーとして用いてSTI領域の段差を防ぐ方法や、STI領域における突起領域をエッチバックで除去する方法などがある。
【0006】
以下、図5を用いて上記方法を説明する。尚、図5は従来のシャロウトレンチ素子分離領域の形成工程図である。
【0007】
まず、図5(a)に示すように、シリコン基板11上に、CVD法により、第1のシリコン窒化膜12、第1のシリコン酸化膜13、第2のシリコン窒化膜14及び第2のシリコン酸化膜15を順次形成する。次に、リソグラフィ技術を用いて、トレンチ形成予定領域に開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成する。次に、図5(b)に示すように、RIE法により、レジスト膜(図示せず)をマスクに用いて、第2のシリコン酸化膜15の表面から、シリコン基板11内に達する異方性エッチングを行なって、トレンチ部11Aを形成する。
【0008】
次に、図5(c)に示すように、レジスト膜(図示せず)を除去した後、CVD法により、埋め込み酸化膜(第3のシリコン酸化膜16)及びCMP法を行なった際の凹所生成抑制膜(第3のシリコン窒化膜17)を形成する。
【0009】
次に、図5(d)に示すように、CMP法を用いて、第3のシリコン窒化膜17から研磨して、第2のシリコン窒化膜14表面が露出した時点で研磨を停止する。次に、図5(e)に示すように、ウエットエッチングで、第3のシリコン窒化膜17及び第2のシリコン窒化膜14を除去する。次に、図5(f)に示すように、RIE法により、第1のシリコン酸化膜13を除去すると共に、第3のシリコン酸化膜16からなる凸部16Aの高さを低減する。その後、図5(g)に示すように、第1のシリコン窒化膜12をウエットエッチングに除去し、シリコン基板11表面を露出させる。
【0010】
しかしながら、CMP及びエッチバック工程のストッパー膜を多層に積層し、更にそれぞれの膜種毎の除去工程が必要となるなど、非常に工程数が増加する、即ち、コストが増加する問題を抱えている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に、研磨ストッパー膜を堆積した後、該研磨ストッパー膜上にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストの素子分離領域となる領域を開口する工程と、
前記フォトレジストをエッチングマスクに用いて、ドライエッチングにより、前記研磨ストッパー膜を除去し、更に、所定の深さの溝を前記半導体基板に形成する工程と、
前記フォトレジストを除去した後、前記溝を埋設するように、溝の深さに相当する膜厚の第1の絶縁膜及び該第1の絶縁膜と同一エッチング工程でエッチング可能で且つエッチングレートの高い第2の絶縁膜を順次堆積する工程と、
前記研磨ストッパー膜表面が露出するまで、前記第1絶縁膜及び第2絶縁膜をCMP法を用いて研磨する工程と、
前記研磨ストッパー膜を除去した後、同一のエッチング剤を用いて、前記第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜をエッチング除去することにより、素子分離領域を形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記第1の絶縁膜はUSG膜であり、前記第2の絶縁膜がLTO膜であり、且つ、前記エッチング剤にフッ酸を用いることが望ましい。
【0013】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記LTO膜のウエットエッチングレートを前記LTO膜をアニールする際のアニール温度を制御することによって行なうことが望ましい。
【0014】
また、前記第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜のエッチングは、研磨ストッパー膜をリン酸で除去した後、フッ酸で行うことが望ましい。
【0015】
また、上記研磨ストッパー膜にシリコン窒化膜を用い、該シリコン窒化膜と前記半導体基板との間にシリコン酸化膜を形成することが望ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、一実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【0017】
図1は本発明の一実施形態の半導体装置の製造工程図、図2はゲート電極形成後の本発明を用いた場合のシャロウトレンチ素子分離領域の断面図、図3はLTOのアニール温度とエッチングレートとの関係を示す図である。図において、1はシリコン基板、2はパッド酸化膜、3はシリコン窒化膜、4はレジストパターン、5は溝、6はシリコン酸化膜、7はUSG膜、8はLTO膜、9はゲート酸化膜、10はゲート電極である。
【0018】
以下、図1及び図2を用いて、本発明の一実施例の半導体装置の製造工程を説明する。
【0019】
まず、図1(a)に示すように、シリコン基板1上にパッド酸化膜2及びシリコン窒化膜3をそれぞれ熱酸化法及びCVD法により、14nm及び160nm形成する。
【0020】
次に、図1(b)に示すように、素子分離パターンをフォトリソグラフィ技術を用いたレジストパターン4をマスクにドライエッチング技術により、パッド酸化膜2及びシリコン窒化膜3をエッチングするとともに、シリコン基板に所定の深さの溝5を形成する。ここで、溝5の深さは350nmとする。尚、絶縁膜の埋め込み特性を考慮し、ある程度テーパ形状に加工するのが望ましい。
【0021】
次に、図1(c)に示すように、レジストパターン4を除去した後、溝5への埋め込み酸化膜からのシリコン基板1への応力欠陥発生の防止のため、熱酸化法により、膜厚が30nm程度のシリコン酸化膜6を形成する。
【0022】
次に、図1(d)に示すように、不純物を含まないUSG(Undoped Silicate Glass)膜7を溝5に埋め込む。素子分離において、不純物を含んだ絶縁膜ではトランジスタ特性が劣化するため、不純物の含まない絶縁膜を用いるのが望ましい。USG膜7は例えば、高密度プラズマ(High Density Plasma、以下、「HDP」とする。)装置を用いたCVD法により形成する。このときのUSG膜7の堆積膜厚は、溝深さ相当に設定する。本実施例の場合は、350nmとなる。尚、このUSG膜7を形成後、USG膜7の緻密化のために、1000℃前後のアニールを行なってもよい。次に、LTO(Low Temperature Oxcide)膜8を形成する。LTO膜8は、プラズマCVD法により形成し、膜厚は、次工程のCMP工程により、適正値はさまざまであるが、本実施例では、250nmとしている。また、以降の工程での洗浄による絶縁膜の膜減りを考慮して、LTO膜8形成後に、LTO膜8のウエットエッチングレートの制御を目的としたアニールを行なうことも有効であり、本実施例では、750℃で1時間のアニールを実施している。ゲート電極形成までに、USG膜に換算して200〜500Å相当のウエットエッチング(洗浄工程)が施されている。この時にLTO膜8が完全に除去され、且つ、USG膜7よりエッチングレートが早いために生じるSTI領域の突起部が除去されるにはエッチングレート差の制御が必要となってくる。本実施例では、この積層した埋め込み膜(USG膜7及びLTO膜8)のエッチングレートの差は、下層絶縁膜(USG膜7)に対し、上層絶縁膜(LTO膜8)が3〜10倍程度に成ることが望ましい。但し、後述のCMP工程後の埋め込み部の残膜により、適度のエッチングレート差は異なるため、積層した埋め込み膜のエッチングレートの差は、本発明を拘束するものではない。
【0023】
次に、図1(e)に示すように、CMP工程により、シリコン窒化膜3をストッパーとして用い、溝埋め込み部以外のLTO膜8及びUSG膜7を除去する。この時の溝内部の絶縁膜の残膜は、USG膜7が350nm、LTO膜8が20〜150nmとなる。尚、溝内の埋め込み膜をUSG膜単層で行なった場合、残膜は370〜500nmとなり、このばらつきがSTI領域の段差の低減を困難にしている。
【0024】
次に、図1(f)に示すように、シリコン窒化膜3及びパッド酸化膜2をウエットエッチングにより順次除去する。シリコン窒化膜3の除去には、150℃程度に温調したリン酸、酸化膜除去には常温のフッ酸を用いる。次に、同一のエッチング液、フッ酸でウエットエッチングを行なうことにより、シリコン基板表面まで、USG膜6及びLTO膜7の除去を単一工程で行なう。
【0025】
次に、図1(g)に示すように、シリコン基板1へのイオン注入、洗浄などの工程を経て、ゲート酸化膜9及びゲート電極10を形成したときのSTI形状を示す。本実施例では、ゲート酸化膜9を熱酸化により32nm、ゲート電極10として、LP−CVD法により、ポリシリコンを200nm形成している。STI領域の膜厚は、HF処理などの洗浄工程により、STI−CMP工程後に対して、ゲート電極形成工程までに膜減りする。ここでは、STI領域をLTO膜7及びUSG膜の積層膜としているため、フッ酸でのエッチングレートがLTO膜の方が早く膜減りし、完全に除去された後、即ち、USG膜7の表面が露出したところで、エッチングレートが低下するため、上述のSTI−CMP工程後の溝内部の絶縁膜の残膜ばらつきは緩和されることになり、より平坦な、且つSTI領域の段差を小さく制御することが可能となる。これにより、図2に示すように、従来技術で問題となっていたSTI領域の段差によるゲート電極加工時のエッチング残りなどの問題が解消される。
【0026】
また、図1に示す工程で、STI−CMP工程後からゲート酸化膜形成までの工程で、フッ酸洗浄などの量は様々であるが、例えば、図3に示すような、LTO膜8におけるアニール温度とエッチングレートとの関係を用いて、LTO膜8の形成後、熱処理の温度制御を行なうことにより、所望のエッチングレートを得ることができる。
【0027】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の、半導体基板に、研磨ストッパー膜を堆積した後、該研磨ストッパー膜上にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストの素子分離領域となる領域を開口する工程と、前記フォトレジストをエッチングマスクに用いて、ドライエッチングにより、前記研磨ストッパー膜を除去し、更に、所定の深さの溝を前記半導体基板に形成する工程と、前記フォトレジストを除去した後、前記溝を埋設するように、第1の絶縁膜及び該第1の絶縁膜と同一エッチング工程でエッチング可能で且つエッチングレートの高い第2の絶縁膜を順次堆積する工程と、前記研磨ストッパー膜表面が露出するまで、前記第1絶縁膜及び第2絶縁膜をCMP法を用いて研磨する工程と、前記研磨ストッパー膜を除去した後、同一のエッチング剤を用いて、前記第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜をエッチング除去することにより、素子分離領域を形成する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法を用いることにより、CMP工程をSTI領域形式において、従来法で問題となっていた、STI領域の段差が及ぼすゲート電極の加工の難易性を、これまでのSTI領域形成工程を大幅に変更せずに解消することができ、特に工程数の増加はほとんど不要となり、半導体装置の歩留り向上、即ち、コスト低減のみならず、素子分離のさらなる微細化に対応することができ、半導体装置の高集積化も可能となる。
【0028】
また、本発明の、上記構成に加えて、前記第1の絶縁膜はUSG膜であり、前記第2の絶縁膜がLTO膜であり、且つ、前記エッチング剤にフッ酸を用いることを特徴とする、半導体装置の製造方法を用いることにより、一度のウエットエッチング工程で、第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜を適度なエッチングレート差を保ちながらエッチングでき、STI領域の段差を低減することができる。
【0029】
また、本発明の、上記構成に加えて、前記LTO膜のウエットエッチングレートを前記LTO膜をアニールする際のアニール温度を制御することによって行なうことを特徴とする、半導体装置の製造方法を用いることにより、より半導体基板表面に対してSTI領域の段差を低減することができる。
【0030】
また、本発明の、上記構成に加えて、前記ウエットエッチングを、前記半導体基板に形成された素子の洗浄と同時に行なうことを特徴とする、半導体装置の製造方法を用いることにより、工程を簡略化することができる。
【0031】
更に、本発明の、上記構成に加えて、上記研磨ストッパー膜にシリコン窒化膜を用い、該シリコン窒化膜と前記半導体基板との間にシリコン酸化膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法を用いることにより、より確実に研磨を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の半導体装置の製造工程図である。
【図2】ゲート電極形成後の本発明を用いた場合のシャロウトレンチ素子分離領域の断面図である。
【図3】LTOのアニール温度とエッチングレートとの関係を示す図である。
【図4】従来のシャロウトレンチ素子分離領域形成の課題の説明に供する図である。
【図5】従来のシャロウトレンチ素子分離領域の形成工程図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 パッド酸化膜
3 シリコン窒化膜
4 レジストパターン
5 溝
6 シリコン酸化膜
7 USG膜
8 LTO膜
9 ゲート酸化膜
10 ゲート電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to an element isolation method using a shallow trench isolation (hereinafter, abbreviated as “STI”) method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in manufacturing a semiconductor device, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method has been widely used as an element isolation method. However, with the miniaturization of the processing dimensions, problems such as bird's beak have arisen in the LOCOS method using thermal oxidation.
[0003]
Then, as a means for solving the problem of the LOCOS method, the STI method has been proposed. In the STI method, an element isolation region is formed by forming a groove called a trench in a silicon substrate, embedding an insulating film, and then removing an insulating film other than the insulating film embedded in the trench by using a CMP method. I do. Since the insulating film can be formed by a plasma CVD method or the like as compared with the LOCOS method, the number of heat steps can be reduced, so that problems such as a bird's beak can be greatly improved.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem unique to the STI method. In the LOCOS method, thermal oxidation is used, so that the surface irregularities after element isolation formation have a relatively gentle shape, whereas in the STI method, the end of element isolation after polishing of the insulating film by the CMP method. The portion has a shape substantially perpendicular to the substrate. As a result, in forming the gate electrode in a later step, as shown in FIG. 4, problems such as constriction of the pattern in photolithography and remaining
[0005]
To cope with this problem, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-144781, a method of preventing a step in the STI region by using an SiN film as a CMP stopper at the time of forming the STI region, or removing a protrusion region in the STI region by etch-back. There are ways to do that.
[0006]
Hereinafter, the above method will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a process chart for forming a conventional shallow trench isolation region.
[0007]
First, as shown in FIG. 5A, a first
[0008]
Next, as shown in FIG. 5C, after removing the resist film (not shown), a buried oxide film (third silicon oxide film 16) and a recess formed when the CMP method is performed by the CVD method. A formation suppression film (third silicon nitride film 17) is formed.
[0009]
Next, as shown in FIG. 5D, the third
[0010]
However, there is a problem that the number of steps is extremely increased, that is, the cost is increased, for example, a stopper film of a CMP and an etch-back step is laminated in multiple layers, and further a removal step for each film type is required. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Method of manufacturing a semi-conductor device of the present invention, the semiconductor substrate, after depositing a polishing stopper film, a photoresist is applied to the polishing stopper film, a step for exposing the region where the element isolation region of the photoresist ,
Using the photoresist as an etching mask, removing the polishing stopper film by dry etching, and further forming a groove of a predetermined depth in the semiconductor substrate;
After removing the photoresist, the first insulating film having a thickness corresponding to the depth of the groove and an etching rate of the first insulating film that can be etched in the same etching step as the first insulating film so as to fill the groove . Sequentially depositing a high second insulating film;
Polishing the first insulating film and the second insulating film using a CMP method until the surface of the polishing stopper film is exposed;
Forming a device isolation region by etching and removing the first insulating film and the second insulating film using the same etching agent after removing the polishing stopper film. Is what you do.
[0012]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the first insulating film is a USG film, the second insulating film is an LTO film, and hydrofluoric acid is used as the etching agent.
[0013]
Further, it is preferable that the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is performed by controlling a wet etching rate of the LTO film by controlling an annealing temperature at the time of annealing the LTO film.
[0014]
Further, it is preferable that the etching of the first insulating film and the second insulating film is performed with hydrofluoric acid after removing the polishing stopper film with phosphoric acid .
[0015]
It is preferable that a silicon nitride film is used as the polishing stopper film, and a silicon oxide film is formed between the silicon nitride film and the semiconductor substrate.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment.
[0017]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a shallow trench element isolation region when the present invention is used after forming a gate electrode, and FIG. 3 is an LTO annealing temperature and etching. It is a figure showing the relation with a rate. In the figure, 1 is a silicon substrate, 2 is a pad oxide film, 3 is a silicon nitride film, 4 is a resist pattern, 5 is a groove, 6 is a silicon oxide film, 7 is a USG film, 8 is an LTO film, 9 is a gate oxide film.
[0018]
Hereinafter, a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0019]
First, as shown in FIG. 1A, a
[0020]
Next, as shown in FIG. 1B, the
[0021]
Next, as shown in FIG. 1 (c), after removing the resist pattern 4, in order to prevent the occurrence of stress defects in the
[0022]
Next, as shown in FIG. 1D, a USG (Undoped Silicate Glass)
[0023]
Next, as shown in FIG. 1E, the
[0024]
Next, as shown in FIG. 1F, the
[0025]
Next, as shown in FIG. 1G, the STI shape when the
[0026]
Further, in the process shown in FIG. 1, the amount of hydrofluoric acid cleaning and the like in the process from the STI-CMP process to the formation of the gate oxide film varies, but for example, the annealing in the
[0027]
【The invention's effect】
As described in detail above, after depositing a polishing stopper film on a semiconductor substrate of the present invention, a photoresist is applied on the polishing stopper film, and a region to be an element isolation region of the photoresist is opened. Removing the polishing stopper film by dry etching using the photoresist as an etching mask, further forming a groove having a predetermined depth in the semiconductor substrate, and removing the photoresist. Sequentially depositing a first insulating film and a second insulating film which can be etched in the same etching step as the first insulating film and has a high etching rate so as to bury the groove, and the polishing stopper film Polishing the first insulating film and the second insulating film using a CMP method until the surface is exposed; and removing the polishing stopper film, Forming a device isolation region by etching and removing the first insulating film and the second insulating film using a etching agent. In order to eliminate the difficulty of processing the gate electrode caused by the step in the STI region, which has been a problem in the conventional method in the STI region type in the CMP process, without significantly changing the existing STI region forming process. In particular, an increase in the number of steps becomes almost unnecessary, and it is possible to not only improve the yield of the semiconductor device, that is, not only reduce the cost, but also cope with further miniaturization of element isolation, and it is also possible to achieve high integration of the semiconductor device. .
[0028]
Further, in addition to the above configuration of the present invention, the first insulating film is a USG film, the second insulating film is an LTO film, and hydrofluoric acid is used as the etching agent. By using the method for manufacturing a semiconductor device, the first insulating film and the second insulating film can be etched while maintaining an appropriate etching rate difference in a single wet etching step, and the step in the STI region is reduced. Can be.
[0029]
Further, in addition to the above structure, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the wet etching rate of the LTO film is controlled by controlling an annealing temperature when annealing the LTO film. Thereby, the step in the STI region with respect to the surface of the semiconductor substrate can be further reduced.
[0030]
Further, in addition to the above structure of the present invention, the steps are simplified by using a method of manufacturing a semiconductor device, wherein the wet etching is performed simultaneously with cleaning of an element formed on the semiconductor substrate. can do.
[0031]
Further, in the semiconductor device according to the present invention, in addition to the above configuration, a silicon nitride film is used as the polishing stopper film, and a silicon oxide film is formed between the silicon nitride film and the semiconductor substrate. By using the manufacturing method, polishing can be stopped more reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a shallow trench element isolation region when the present invention is used after forming a gate electrode.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an annealing temperature of LTO and an etching rate.
FIG. 4 is a diagram for explaining a problem of forming a conventional shallow trench element isolation region.
FIG. 5 is a process chart of forming a conventional shallow trench element isolation region.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記フォトレジストをエッチングマスクに用いて、ドライエッチングにより、前記研磨ストッパー膜を除去し、更に、所定の深さの溝を前記半導体基板に形成する工程と、
前記フォトレジストを除去した後、前記溝を埋設するように、溝の深さに相当する膜厚の第1の絶縁膜及び該第1の絶縁膜と同一エッチング工程でエッチング可能で且つエッチングレートの高い第2の絶縁膜を順次堆積する工程と、
前記研磨ストッパー膜表面が露出するまで、前記第1絶縁膜及び第2絶縁膜をCMP法を用いて研磨する工程と、
前記研磨ストッパー膜を除去した後、同一のエッチング剤を用いて、前記第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜をエッチング除去することにより、素子分離領域を形成する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。After depositing a polishing stopper film on the semiconductor substrate, applying a photoresist on the polishing stopper film, opening a region to be an element isolation region of the photoresist,
Using the photoresist as an etching mask, removing the polishing stopper film by dry etching, and further forming a groove of a predetermined depth in the semiconductor substrate;
After removing the photoresist, the first insulating film having a thickness corresponding to the depth of the groove and an etching rate of the first insulating film that can be etched in the same etching step as the first insulating film so as to fill the groove . Sequentially depositing a high second insulating film;
Polishing the first insulating film and the second insulating film using a CMP method until the surface of the polishing stopper film is exposed;
Forming a device isolation region by etching and removing the first insulating film and the second insulating film using the same etching agent after removing the polishing stopper film. To manufacture a semiconductor device.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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